Kosteuden vaikutukset 3D-tulostukseen

3D-tulostus on kehittymässä kovaa vauhtia kaupallisesti kannattavaksi valmistusteknologiaksi globaalien trendien – tarpeenmukaisen tuotannon, räätälöinnin sekä ajan, rahan ja materiaalien säästötarpeen – myötä. Jotkin muovi- tai metalliosien valmistuksen raaka-aineet, kuten jauheet, hartsit tai filamentit, ovat hygroskooppisia eli ne absorboivat kosteutta ympäröivästä ilmasta. Korkeat kosteustasot raaka-aineessa voivat muuttaa sen kemiallisia ominaisuuksia ja vaikuttaa haitallisesti lopputuotteen laatuun.

Metalliosien 3D-tulostus
Metalliosien 3D-tulostus kasvattaa suosiotaan, sillä se tarjoaa uusia ratkaisuja, jotka eivät ole mahdollisia perinteisillä valmistustekniikoilla. Uudet muodot ja tekniikat, jotka ovat olleet ennen hyvin kalliita tai jopa mahdottomia toteuttaa perinteisillä valu- ja työstömenetelmillä, ovat nyt ulottuvillamme. 3D-tulostimella valmistetut tuotteet voivat olla huomattavasti kevyempiä ja aivan yhtä vahvoja – elleivät jopa vahvempia – kuin niiden perinteisillä menetelmillä tuotetut vastineet. Nämä ominaisuudet ovat erittäin arvokkaita ilmailuun liittyvissä sovelluksissa, joissa toleranssit ovat hyvin tiukkoja ja jokainen säästetty metalligramma merkitsee suuria säästöjä tuotteen elinkaarianalyysissä.

Toinen merkittävä etu metallien 3D-tulostuksessa on parantunut tulostus- ja tuotantonopeus. Tämä teknologia haastaa jo perinteisiä valmistusmenetelmiä massatuotantomarkkinoilla. Kyky valmistaa laadukkaita tuotteita on olennainen asia massatuotannossa ja kriittisissä loppukäyttösovelluksissa, kuten ilmailu- ja avaruusalalla, ajoneuvoissa tai lääketieteellisissä komponenteissa.

Kosteus on tärkeässä osassa monissa valmistusketjun vaiheissa, joten yhdenmukaisen laadun varmistamiseksi on tärkeää varmistaa, että olosuhteet ovat stabiilit koko tuotantoketjun matkalla. Laitteiden ja materiaalien valmistus- ja säilytystilojen lämpötilaa ja kosteutta on valvottava lopputuotteen laadun varmistamiseksi.

Laadukas 3D-tulostus vaatii laadukkaat raaka-aineet. SLM (Selective Laser Melting) -menetelmässä eli valikoivassa lasersulatuksessa käytetyt jauhemateriaalit, kuten alumiini- ja titaaniseokset, ovat herkkiä ympäristön kosteudelle. Jos jauhe absorboi liikaa vettä ympäröivästä ilmasta, sen kemialliset ominaisuudet voivat muuttua radikaalisti, jolloin tulostuslaatu heikkenee. Kaikkia säilytysolosuhteita niin tulostimen sisä- kuin ulkopuolellakin on valvottava tarkasti sen varmistamiseksi, että raaka-aine on valmistajan määritysten mukaista.

Metalleja 3D-tulostettaessa käytetään tulostusmenetelmästä riippumatta sintraus- tai sulatusprosessia, joka hitsaa metallijauheen kiinni kiinteään metalliosaan. Sintrauksen on tapahduttava inertissä ympäristössä, jossa on hyvin vähän happea ja kosteutta. Tämä voi olla ankara ympäristö mittalaitteille, mutta olosuhteita voi valvoa myös epäsuorasti syöttö- ja poistokaasujen kastepistemittauksella.

Muoviosien 3D-tulostus
Kosteus on tunnettu muovien vihollinen. Monet polymeerit ovat hygroskooppisia eli ne absorboivat kosteutta ympäröivästä ilmasta. Valmistajana et halua raaka-aineesi ominaisuuksien muuttuvan, vaan tavoitteena on pitää se mahdollisimman yhdenmukaisena. Tämä edellyttää laadukasta kosteuden hallintaa koko tuotantoketjun matkalla filamenttien valmistuksesta itse 3D-tulostusprosessiin.

FFF (Fused Filament Fabrication) -tekniikassa, jota kutsutaan myös FDM (Fused Deposition Modeling) -tekniikaksi, käytetään lämpömuovautuvasta materiaalista valmistettua filamenttia, jota pursotetaan tulostusalustalle kerroksittain. Tällaisia filamentteja valmistetaan monista eri polymeereistä, kuten ABS (akryylinitriili-butadieeni-styreeni), PLA (polymaitohappo) ja PA (polyamidi, joka tunnetaan yleisemmin nailonina). Kaikilla näillä polymeereillä on kyky absorboida vettä. Absorboitumisen määrä riippuu polymeerityypistä ja ympäröivän ilman suhteellisesta kosteudesta. Myös kosteuden vaikutukset ovat riippuvaisia materiaalista.

Jotkin materiaalit, kuten ABS, kestävät melko suuria kosteuksia ilman vaikutusta materiaalin lujuuteen, mutta pursotuksen aikana voi silti esiintyä ongelmia. Kun ABS:ää lämmitetään yli 200 °C:n, absorboitunut kosteus haihtuu ja muuttuu höyryksi. Tämä aiheuttaa ongelmia tulostuslaadussa, sillä höyry vaikuttaa materiaalin virtaukseen. Jotkin materiaalit, kuten PA (nailon), kärsivät myös hydrolyysistä. Siinä vesimolekyylit vahingoittavat polymeeriketjuja pursotuksen aikana ja materiaali menettää vetolujuuttaan.

Johtopäätös
Riippumatta siitä, valmistetaanko osia metallista vai muovista, olosuhteista on pidettävä tarkkaa huolta kaikissa laitoksen osissa. Välttääksesi kosteuden aiheuttamat tuotannon laatuongelmat tarvitset tarkkoja mittauksia.

Tutustu tuote-esitteeseemme ja ota selvää, mikä Vaisalan ratkaisu sopii parhaiten 3D-tulostussovellukseesi (pdf).